一种新型钡锶阻垢剂的研究及性能评价

Study and Performance Evaluation of a New Barium-strontium Scale Inhibitor

摘要: 姬塬油田随着开发过程的进行，集输及注水系统结垢问题突出，严重影响正常生产。通过对油层水型分析、配伍试验以及结垢产物等方面的分析研究，明确了油层主要垢型及结垢机理，合成出了新型钡锶阻垢剂。评价结果表明该阻垢剂能破坏垢体晶型，同时还有电荷分散和螯合增溶作用。

Abstract: With the progress of development in Jiyuan Oilfield, the problems of scaling were severe in ga-thering and water injection system, which seriously affected the normal oil production. Through the analysis of reservoir water type, compatibility test and scaling products, etc., the major scaling type and its scaling mechanism in the reservoir were clarified. A new type of barium-strontium scale inhibitor was synthesized. The evaluation results show that the scale inhibitor can destroy the crystal form of scale, and also has the effect of charge dispersion and chelating solubilization.

1. 引言

姬塬油田C8油层主要集中在Q1、Q2、Q3、Q4、Q5等区块。共有增压站24座，使用数字化增压橇25台。现场调研发现，有8座增压橇不同程度出现结垢现象，造成增压橇产进压力上升、液位计堵塞等问题，影响增压橇的正常运行 [1] [2] 。其中，Z1、Z2、Z3和Z4等站点结垢尤为严重。

C8油层主力区块注水井236口，欠注井合计58口(清水21口，污水37口)。其中，化堵欠注井17口，日欠注118 m³；其余41口欠注井中，14口投注初期就欠注，另外27口随着注水时间延长注入压力逐渐上升 [3] [4] 。2013~2016年实施降压增注措施227井次，措施后油压由18.8 MPa降至16.8 MPa，当年措施有效期120 d，单井日增注8 m³。主要表现为有效期短、周期性措施井多(如Q3区块有16口井重复实施38次)。

2. 结垢及地层堵塞机理研究

2.1. 储层物性分析

储层岩石碎屑以石英、长石为主，填隙物以高岭石含量为最高。平均孔隙度8.13%，渗透率0.26 mD，属超低渗油层。孔隙类型以溶孔为主；喉道分选较好，属微细喉道；储层润湿性表现出中性–偏亲水特征，储层为中等偏强水敏性地层 [5] [6] 。

2.2. 水质分析

对C8油层的水质进行分析发现(见表1)，采出水及站内混合水(注入水)水体不稳定，富含成垢离子且自身具有结垢趋势。同时水体中含有大量铁离子，系统存在腐蚀。

Table 1. The analysis water ion

表1. 水质离子分析

2.3. 垢样分析

2.3.1. 垢样溶蚀试验

管线不同区域的垢样测试结果如表2所示，可以看出酸溶蚀率大于30%的垢样占总垢样数的58.8%，说明垢样中含有碳酸盐垢；酸碱不溶物质量分数大于30%的垢样占总垢样的76%，说明垢样中除含有碳酸盐垢外，还含有大量的硫酸盐垢及其他不溶物。

Table 2. The corrosion experiment of scale sample

表2. 垢样溶蚀试验

2.3.2. 垢样检测

选取J1井的垢样进行分析，从电镜图(见图1)可以看出，垢样堆积致密。对垢样进行XRD分析发现(见图2)，垢样的主要成分是CaCO₃、BaSO₄、SrSO₄。

Figure 1. Scanning electron microscope diagram of scale in Well J1

图1. J1井垢扫描电镜图

Figure 2. XRD analysis diagram of scales in Well J1

图2. J1井垢XRD分析图

3. 新型钡锶阻垢剂研究

3.1. 新型钡锶阻垢剂的合成

3.1.1. PE-1主剂的合成

以马来酸酐、丙烯酸、丙烯酸羟丙酯及含磷单体为反应单体，通过自由基聚合反应合成了磷酸基改性聚羧酸PE-1共聚物阻垢剂 [7] 。

3.1.2. 新型钡锶阻垢剂的复配

以PE-1为主剂，加入有机磷酸阻垢剂、聚羧酸阻垢分散剂、缓蚀剂、分散剂等多种组分进行复配 [8] ，得到了2种针对池46、池228区块的新型高效钡锶阻垢剂DCZ1601、DCZ1603。该阻垢剂对水中硫酸盐、碳酸盐等难溶盐具有良好的抑制分散作用，尤其适用做Ba²⁺、Sr²⁺稳定剂。

3.2. 静态阻垢性能评价

3.2.1. PE-1主剂的评价

由正交试验结果和极差分析可知，当马来酸酐、丙烯酸、丙烯酸羟丙酯和含磷单体的摩尔比为2:5:1:2、反应时间为3 h、引发剂质量分数为4.5%时，合成的PE-1多元共聚物对BaSO₄垢的阻垢率最高。参照SY/T 5673-93测定阻垢率，配制Ba²⁺、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 的质量浓度均为300 mg/L的水样。当PE-1质量浓度为30 mg/L和pH值为7.5时，其对BaSO₄垢的平均阻垢率为96.5%。

3.2.2. 新型高效钡锶阻垢剂的评价

来自不同油井的采出水离子质量浓度差别较大，配制成垢离子Ba²⁺、Sr²⁺、 ${\text{SO}}_4^{2-}$ 的质量浓度分别为900、700、1200 mg/L，总矿化度为17358 mg/L的水样。静态阻垢率见表3，可以看出DCZ1603在200 mg/L时阻垢率最大，可达95.8%。

Table 3. The evaluation of scale inhibition rate of compound scale inhibitors

表3. 复配后阻垢剂的阻垢率评价

3.3. 动态阻垢性能评价

配制A、B两组模拟采出水，A组模拟采出水携带成垢阳离子(Ba²⁺、Sr²⁺)，B组模拟采出水携带成垢阴离子( ${\text{SO}}_4^{2-}$ )。用泵将2组模拟采出水打入同一根管道，同时用滴加的方式加入阻垢剂DCZ1603。水浴加热2组采出水，模拟现场流体温度；检测A组模拟采出水及混合后液体中的Ba²⁺、Sr²⁺的质量浓度，确定阻垢剂的阻垢率。动态阻垢评价流程装置如图3所示。配制水样如表4所示。

Figure 3. The process flow of dynamic scale inhibitor assessment

图3. 动态阻垢评价流程图

Table 4. The dynamic evaluation of water sample composition and mass concentration of the scale inhibitor

表4. 动态阻垢剂评价水样组成及质量浓度

分别取J1井和动态阻垢评价装置中的垢样，用石油醚萃取出垢样中的油类，干燥后样品在研钵中研细，放入干燥的烘箱内，120℃干燥2 h，对垢样进行能谱分析，结果见图4。由图4(a)发现J1井垢样中Ba²⁺、Sr²⁺相对含量较高，图4(b)中Ba²⁺、Sr²⁺相对含量减少显著，说明DCZ1603具有良好的阻BaSO₄垢效果。

Figure 4. The energy spectra before and after adding scale inhibitor

图4. 加入阻垢剂前后的能谱

图5为加入阻垢剂前后的垢样电镜图，可以看出未加阻垢剂(见图5(a))时，硫酸钡垢的晶型非常完整，加入阻垢剂(见图5(b))后垢体晶型被破坏，说明阻垢剂的作用机理主要是晶格畸变作用，同时还有电荷分散作用和螯合增溶作用。

Figure 5. The diagram of electron microscopy scanning for scale samples before and after adding scale inhibitor

图5. 加入阻垢剂前后垢样电镜图

4. 结论

1) 姬塬油田C8油层储层物性差、水中成垢阴阳离子含量高、不同类型水质不配伍以及水质不达标等均是引起姬塬C8油层结垢及地层堵塞的主要原因。

2) 合成了磷酸基改性聚羧酸PE-1主剂，与有机磷酸阻垢剂、聚羧酸阻垢分散剂、缓蚀剂、分散剂等多种组分进行复配，优选出新型高效钡锶阻垢剂DCZ1603。

3) DCZ1603钡锶阻垢剂在200 mg/L时硫酸钡阻垢率可达到95.8%。DCZ1603钡锶阻垢剂能够破坏垢体晶型，同时还有电荷分散作用和螯合增溶作用。